化學研究中的協(xié)同學的理論方法
化學先生 / 2019-08-20
協(xié)同學(Synergetic)是 20世紀70年代發(fā)展起來的一門新興科學，是德國斯圖加特大學教授赫爾曼.哈肯(Hermnarm Haken)創(chuàng)立的。早在20世紀60年代，他在研究激光理論時，就逐步形成了協(xié)同學的基本思想,1977年建立了協(xié)同學的基本原理。
1975 年，哈肯在《現(xiàn)代物理學評論沖，發(fā)表了題為“遠離平衡系統(tǒng)和非物理系統(tǒng)的合作現(xiàn)象”的論文,1977年出版了專著<協(xié)同學導論》。哈肯在早年研究激光理論時就發(fā)現(xiàn)，當將外界的能量用泵輸人激光器時，會出現(xiàn)下述情況:當泵的功率小于某一特定閾值時,被激活的原子彼此獨立無序地發(fā)出不相干的光波列，這時激光器和普通的燈一樣，所發(fā)出的光的相位和方向都完全是無序的，只發(fā)出白光,但當泵的功率達到某- 特定閾值時，情況就發(fā)生了質的變化,各個原子好像懂得互相配合一樣，它們都變成了同相振蕩，發(fā)出相位和方向都整齊劃一的單色光，其波列長度可達30萬千米，發(fā)射的光強隨著輸人功率的增大面急劇增加。哈肯對這類問題進行了認真的思考:究竟是什么原因使這些子系統(tǒng)(在激光中是被撒話的原子)有非常好的協(xié)同動作呢?
為了回答上述問題，哈肯考察了其他一 些類似的問題。經深人研究，得出了一殷性的結論。他指出:一個由大量子系統(tǒng)構成的系統(tǒng)，在一定條件下，由于各個子系統(tǒng)相互作用、相互協(xié)作.就會使系統(tǒng)形成有一定 功能的自組織結構.從面在宏現(xiàn)上會形成各種時間結構空間結構，也就是形成一種新的有序狀態(tài)。 哈肯把這種要素之間的聯(lián)合作用超出要素自身的單獨作用，因面對整個系統(tǒng)做出貢獻的過程稱為協(xié)同過程。他還對各種系統(tǒng)從無序到有序的自組織轉變機制用協(xié)同學的主方程加以描述。主方程表示系統(tǒng)的概率分布隨時間變化的情況,用概率分布描述微觀隨機過程的宏觀表現(xiàn)。所以，主方程能有效地描述由大量無規(guī)則行走的要素(或子系統(tǒng))構成的系統(tǒng)隨時間變化的規(guī)律。此外，哈肯還移植和引用T朗道最先引進處理結構相變的“序參量”概念。當系統(tǒng)完全無序時，序參量為零.隨著外界條件的變化.序參量也發(fā)生變化，當系統(tǒng)達到臨界點時，序參量就會增到最大值。從面使系統(tǒng)形成一個有序結構。哈肯還通過計算,確定了系統(tǒng)序參量的范圍，從各序參量的競爭與協(xié)同中，定量地說明了系統(tǒng)的自組織過程。協(xié)同學的理論方法，對化學研究也有十分普遍的意義。例如，對解釋溶液理論中“相似相溶原理”，化學反應中的協(xié)同反應對稱性允許和對稱性禁阻的反應化學運動的微觀粒子運動和它們的宏觀表現(xiàn)等，都提供了有意義的思想方法。
協(xié)同學中的移植 和類比方法，對化學研究也很有啟發(fā)。例如，協(xié)同學中的“協(xié)同”“自組織”等概念，就是哈肯從生物學、社會學等學科中移植來的。對于“自組織”的解釋，哈肯就舉了一個非常通俗的例子。他指出:如果一個工人集體，按照領導或經理發(fā)出的外部指示或命令,進行協(xié)調的活動，這就是組織，或者叫做組織功能;如果這個工人集體不是靠外部的指示或命令，而是按照他們自己相互間的某種默契或某種規(guī)則。各盡其責，協(xié)調工作，這就是自組織.可見、組織是蘇外部指令完咸的，自組織則是靠系統(tǒng)內部各個子系統(tǒng)自己的行為面自行完成的。哈肯正是從這個意義上，把研究系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間由于自身自發(fā)的協(xié)同動作，而在宏觀上產生有秩序有組織的結構和功能的學間稱為協(xié)同學，協(xié)同學不僅研究系統(tǒng)的初態(tài)和組織化的未態(tài)，還要說明這種過程和轉化的機制，探索各種不同系統(tǒng)實現(xiàn)這種轉化的共同規(guī)律。協(xié)同學的這種研究，已引起化學家的普遍重視，多年來困擾著化學家的反應機理陽反應過程，有望用協(xié)同學的方法做出理論上的說明，這就為現(xiàn)代化學的研究開拓了一條新路。對這種意義，化學家看得越來越清楚了.哈肯本人也認為，他的協(xié)同學有極為普遍的意義。他指出:“近幾年來.在物理學和化學系統(tǒng)中.存在著來自混沌狀態(tài)的很有組織的結構。如時間結構、空間結構、時空結構,這樣的例子假多，這些結構是自發(fā)的、自組織起來的。當許多系統(tǒng)從無序到有序時，它們星現(xiàn)出非常近似的行為。”“從微生物甚至從混沌狀態(tài)而自發(fā)形成的很多有組織的結構,乃是科學家所面臨的最吸引人的現(xiàn)象和最富于挑戰(zhàn)性的問題。"在哈肯1977年出版的《協(xié)同學導論沖，主要討論的是非平衡相變的問題，在后來的研究中，他也注意到平衡相變問題。協(xié)同學與耗散結構，互相補充，殊途同歸，共同推動了自組織理論的發(fā)展:這些研究對說明各種形式相變的機理,有普遍的方法論意義，為現(xiàn)代化學研究開拓了一條新道路。
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